水轮发电机组转子一点接地故障分析与处理

2015-07-25虞小兵

水电站机电技术 2015年12期

关键词：发电机

虞小兵

（青海大唐国际直岗拉卡水电开发有限公司，青海尖扎 811999）

水轮发电机组转子一点接地故障分析与处理

虞小兵

（青海大唐国际直岗拉卡水电开发有限公司，青海尖扎 811999）

摘要：青海直岗拉卡水电厂安装有5台38MW灯泡贯流式水轮发电机。发电机转子是发电机组的主要设备，当发电机发生一点接地故障后，要及时排查处理，以免扩大发生转子两点接地故障，造成发电机损坏，给企业造成经济损失，同时，也影响到电网的稳定和电能质量。文章分析其原因，提出处理办法。

关键词：发电机；转子；一点接地；原因分析

1工程概述

直岗拉卡水电站位于青海省尖扎县的黄河干流上，上距李家峡水电站7km，下游为康扬水电站，是黄河上游梯级开发的中型水电站之一。距青海省西宁市公路里程109km。

直岗拉卡水电站工程的主要任务是发电。水库正常蓄水位2050m，总库容1540万m3，电站额定水头12.5m，总装机容量190MW，安装5台单机容量为38MW的灯泡贯流式水轮发电机组，多年平均发电量7.619亿kW·h，年利用小时数4010h。

直岗拉卡水电站水轮发电机组设备制造商为天津阿尔斯通水电设备有限公司，主变压器由新疆特变电工衡阳电气分公司制造，设备的安装单位为广东省源天工程公司。

水轮发电机组为灯泡贯流式机组，发电机水轮机共用一根轴，型式为卧轴悬挂式、两支点、强迫空冷。机组额定转速100r/min，飞逸转速280r/min，从上游向下游看顺时针旋转。机组共4部轴承，即正推力轴承、反推力轴承、发导轴承和水导轴承。

发电机型号为SFWG38—60/6630,主要包括：定子、转子、泡头、组合轴承和前机架。定子外形尺寸7200mm×3100mm，重约107t；转子外形尺寸6080 mm×1794mm，重约105t，空气间隙10mm，60个磁极；泡头最大外形尺寸7200mm×4000mm，重约30t；制动方式为机械制动，制动器数量为6只。

水轮机型号为GZ4BN039—WP—610，主要包括：座环、导水机构、转轮、水导轴承等部件。导水机构外形尺寸8610mm×1780mm，重约40t；转轮最大直径6100mm，重约62t，为转桨缸动式结构，共4片桨叶。

电气主接线：发电机出口电压为10.5kV，发电机变压器组合方式为两个两机一变扩大单元和一个单元接线方式，发电机出口设有发电机断路器。电站以四回110kV线路接入电力系统，并预留二回出线位置，110kV侧采用双母线带母联接线。

2005年5月30日第1台机组并网发电，2006 年6月1日，前期4台机组全部并网发电。2014年5 月31日，扩建的5号机组并网发电。

2转子接地危害

发电机正常运行时，发电机转子电压（直流电压）有几百伏左右，励磁回路对地电压约为励磁电压的一半，直岗拉卡水电厂机组正常运行时，转子额定电压为275V，对地电压为e/2=275V/2=137.5V，整个励磁回路（包括转子绕组）对地是绝缘的。因此，当转子绕组或励磁回路发生一点接地时，由于未构成电流通路，对发电机不会造成直接危害，发电机仍能运行，但已经形成事故隐患。因为在一点接地后，励磁回路对地电压会升高，容易诱发两点接地。一旦发生两点接地，相当于转子绕组一部分被短路，另一部分电流增加，破坏了发电机转子磁场的对称性，将引起发电机剧烈振动，无功降低。转子电流通过转子本体，如果电流较大，可能会烧坏转子，还有可能造成大轴磁化，后果严重。以上问题得不到及时停机处理，将会使转子绕组绝缘和励磁回路中的其他设备因严重过流而烧坏并导致失磁故障，危及发电机安全，造成经济损失。特别是在汛期（6～9月），由于直岗拉卡电厂水库库容小，属于不完全日调节电站，发生转子一点接地故障，停机检查必然弃水，造成更大的经济损失。

3转子一点接地保护原理

直岗拉卡电厂机组保护转子一点接地是单端注入式转子接地保护原理，注入电源从转子绕组的负端与大轴之间注入，注入电源的切换周期可根据转子绕组对地电容的大小进行调整，实时求解转子一点接地电阻，保护反映发电机转子对大轴绝缘电阻的下降。

该原理具有以下特点：转子接地电阻的计算与接地位置无关，保护没有死区；转子接地电阻的计算精度高，注入电源的频率可根据转子绕组对地电容的大小进行调整，不受转子绕组对地电容的影响；转子接地电阻的计算与励磁电压的大小无关，在未加励磁电压的情况下，也能监视转子的绝缘情况；其工作电路如图1所示，图中m为测量回路电阻，i为注入大功率电阻，s为注入电源模块，g为转子绕组对大轴的绝缘电阻。

4转子一点接地查找及处理方法

当保护发出转子一点接地信号后，停机检查判断是励磁装置接地还是转子绕组接地，一般情况下多为刷架、滑环上碳粉堆积造成绝缘降低。如果是转子绕组接地，还需判断接地是金属性的还是非金属性的。如果是非金属性接地可在较暗的环境中用兆欧表对转子绕组进行摇测，并对转子绕组进行观察，由于非金属性接地存在较低接地电阻值，在兆欧表的直流电压下，接地点会产生放电现象，可根据火花位置找到接地点。如果是金属性接地，传统方法是将转子磁极数目一分为二，断开极间连接线，用兆欧表判断故障点在哪一边，接着再将有接地故障的那一边磁极又一分为二，再用兆欧表，判断故障在哪一边，直至分到最后两个磁极，找出故障磁极为止。找到接地磁极后，将风洞进人孔边的挡风板切割开，盘车将故障磁极转到该位置拔出磁极，对损坏的绝缘进行处理，此方法看起来简单，但在实际工作中十分费时费力。

使用电压法查找相对传统方法可以减少工作量，原理是因为发电机转子绕组是由若干个磁极串联组成，且每个磁极阻值是相等的，即转子绕组的电阻值除以磁极个数，就是每个磁极的电阻值，通过测量转子绕组的正极对地或负极对地的电压值或电阻值，以及占整个磁极电压值或电阻值的比例，就能计算出接地点的具体位置。现通过一例故障处理，来说明此方法具体应用。

直岗拉卡电厂2号机组，容量38MW，转子额定电压275V，转子共60个磁极。2012年11月，机组运行中保护装置报转子一点接地，在运行中用0.5级直流电压表对励磁电压进行测量，正极对地47V，负极对地为187V。停机检查，解开集电环与磁极引线连接，发现接地点在转子绕组侧，根据停机前测得的数据，励磁电压为235V，正极对地47V，负极对地为187V，根据公式

根据以上计算分析，接地点距转子绕组正极的电阻值占整个转子绕组电阻值的20%，接地点距转子绕组负极的电阻值占整个转子绕组电阻值的80%，由于每个磁极电阻值相等，因此，接地点应在转子绕组的60极×20%=12极，即接地点在距转子绕组正极的第12个磁极附近，重点检查11、12、13这3个磁极，这样大大缩小了查找范围，减少了工作量。将11极与 12极断开摇测绝缘，0～11极绝缘为0,12～60极绝缘为900MΩ，将10与11断开摇测绝缘，0～10极绝缘为1.1GΩ，11极绝缘为0。将第11号磁极拔出，发现磁极线圈与磁极铁芯接触处绝缘烧焦破坏，造成线圈与铁芯接地。处理后线圈与铁芯绝缘恢复，回装磁极恢复极间连接线，摇测励磁系统绝缘，励磁系统绝缘正常。发电机重新启动，励磁系统和发电机运行正常，保护装置无告警。转子一点接地故障消除。